Анализ прочности конструкции стелларатора Wendelstein 7-X

• Автор: Быков, Виктор Александрович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Грайфсвальд, Германия
• Количество страниц: 190 с. : ил.

Содержание.
Содержание

Список сокращений

Введение

1 Экспериментальная стеллараторная установка Wendelstein 7-Х

1.1 Управляемый термоядерный синтез. [2]

1.2 Типы реакций

1.3 История проблемы [2], [30], [31], [32], [28]

1.3.1 Проект ИТЭР

1.3.2 Сферические токамаки

1.3.3 Стеллараторы

1.4 Удержание плазмы магнитным полем в тороидальной ловушке
1.5 Учет токов в плазме и временных констант их изменения [47]
1.6 Нагрев плазмы
1.7 Выбор сверхпроводника: механические ограничения
1.7.1 Сверхпроводники NbTi HNb3Sn
1.7.2 Сверхпроводник Nb3Al
1.7.3 Теплые сверхпроводники (ТСП)
1.8 Основные параметры установки W7-X
1.8.1 Физические и технические данные W7-X
1.8.2 Магнитная система
1.8.3 Опорная система ЭМС
1.8.4 Криостатная система
1.8.5 Внутрикамерные элементы

1.8.6 Диагностика и системы нагрева
1.9 Функционирование
1.10 Выводы по первой главе
2 Разработка и реализация стратегии прочностного анализа. Верификация результатов
2.1 Введение
2.2 Программное обеспечение
2.3 Реализация стратегии
2.3.1 База данных материалов
2.3.2 Глобальные модели ЭМС
2.3.3 Гомогенизация механических свойств обмотки
2.3.4 Оценки отклонения магнитной системы от симметричной конфигурации [87]
2.3.5 Глобальные и локальные модели
2.3.6 Внешние корректирующие катушки
2.3.7 Коэффициенты запаса
2.4 Верификация результатов
2.4.1 Сравнение КЭ результатов, полученных на разных моделях
2.4.2 Валидация КЭ моделей путем сравнения с результатами натурных эксперементов и
сборочных процедур
2.5 Дальнейшая работа по подготовке к запуску Wendelstein 7-Х
2.5.1 Основные направления работ
2.5.2 Создание глобальной ЭМ модели W7-X [99]
2.5.3 Модификация глобальной модели системы криостата
2.5.4 Оценка влияния повреждений поверхности дивертора на эффективность его работы
2.5.5 Механические датчики и обработка сигналов
2.6 Ограничения по эксплуатации
2.6.1 Бутстрэп ток в плазме

2.6.2 Прерывистое движение в контактных элементах
2.6.3 Испытание непланарной катушки подударным воздействием [20], [102]
2.6.4 Трещины в сварках боковых опорных элементов [103]
2.6.5 Доступ в зал V7-X во время эксплуатации
2.6.6 Перегрев внутрикамерньгх элементов, компонентов диагностических систем и камеры
плазмы
2.6.7 Короткое замыкание в ЭМС
2.7 Основные уроки и рекомендации [98]
2.7.1 Высококвалифицированная команда
2.7.2 Верификация сложных КЭ моделей
2.7.3 Тестирование материалов и критических компонентов
2.7.4 Параметризация КЭ моделей
2.7.5 Коэффициенты запаса и сборочные допуски
2.8 Выводы по второй главе
3 Расширение существующих норм проектирования
3.1 Обзор
3.2 Деградация свойств материалов при криогенной температуре
3.3 Критерии для размыкателя криотруб [119]
3.4 Нормы для проектирования ЭМС У7-Х
3.4.1 Критерии статической прочности для металлических элементов
3.4.2 Критерии циклической прочности для металлических элементов
3.4.3 Критерии прочности для изоляции
3.5 Нормы для проектирования криостатной системы V7-X
3.5.1 Критерии прочности для сварочных швов [120]
3.6 Выводы по третьей главе
4 Перспективы развития

ное магнитное поле, созданное, например, полоидально замкнутыми, зависит от радиуса как Bt = Кроме того, магнитное поле меняет направление при обходе вдоль оси тора. Это приводит к градиентному и центробежному дрейфам заряженных частиц плазмы в противоположные, в зависимости от заряда, направления.
Для борьбы с этим эффектом и обеспечения равновесия используют вращательное преобразование - суперпозицию тороидального и полоидального магнитных полей:
В = В[ + Щ, (1.4-5)
В этом случае возвращающая сила Лоренца препятствует поляризации зарядов. Вращательное преобразование формируется или с помощью тока, протекающего в плазме (токамаки), или дополнительными винтовыми катушками сложной формы (стеллараторы).
Вращательное преобразование определяется как предел отношения числа обходов магнитной силовой линии по азимуту п к числу обходов по тору т, т.е.:
I = lim^ooCn/m) (1.4-6)
Часто используют и величину угла вращательного преобразования: t — l/2tt, которое является убывающей величиной в зависимости от расстояния от центра плазмы. На краю плазмы в конфигурации малого шира (см. ниже) эта величина достигает 1. Такая конфигурация является наиболее стабильной. Край плазмы определяется последней замкнутой линией поля на отображении Пуанкаре (last closed magnet surface, LCMS) (Рис. 2.3.4-1). По этому отображению определяют малый радиус плазмы в заданном сечении и путем осреднения по всем сечениям получают характерный радиус плазмы данной установки (а). Установка W7-X имеет малый радиус плазмы 0,53 м. В целом, стеллараторам, по сравнению с токамаками, присуща большая величина вращательного преобразования на границе плазмы.
Большой перепад температур в плазме и достаточно большое время для формирования равновесного состояния (около 10 секунд для W7-X) приводят к разным типам неустойчивости, которые в первом приближении [2] можно разделить на:
1) Магнитогидродинамические (МГД) неустойчивости в обычном пространстве,